Streszczenie: Folie i powłoki jadalne są nowoczesnym sposobem zabezpieczenia produktu i tym samym przedłużenia jego jakości. Stanowią doskonałą alternatywę zastępującą opakowania, które w większości wytwarzane są z tworzyw sztucznych trudnych do recyklingu. Wzrost zainteresowania nowymi metodami tworzenia opakowań jest uwarunkowany coraz częściej pojawiającym się problemem związanym z utylizowaniem. Tworzywa sztuczne takie jak polietylen, polichlorek winylu po okresie użytkowania nie ulegają łatwo degradacji chemicznej i mikrobiologicznej, tym samym przyczyniając się do zalegania dużej ilości odpadów na wysypiskach śmieci [9, 27]. W ostatnich latach pogłębiający się rozwój branży owocowo-warzywnej sprawił, że producenci zaczęli interesować się stosowaniem takich opakowań, które nie będą pełnić już tylko funkcji ochronnej, ale także sprawią, że ich produkty będą odznaczać się jak najdłuższą świeżością oraz zapobiegać wystąpieniu niekorzystnych zmian podczas okresu przechowywania i dystrybucji. Jednym z głównych czynników determinujących taką zmianę jest zmieniający się udział poszczególnych kanałów dystrybucji w sprzedaży świeżych owoców i warzyw. Kierunki zmian podyktowane są tutaj coraz większym naciskiem na bezpieczeństwo żywności, wygodę konsumenta oraz ekonomikę sprzedaży [13, 25, 14].
Abstract: Edible coating films are a modern way of protecting the product and thus extending its quality. They are a great alternative replacing packaging, which are mostly made of plastics that are difficult to recycle. The increase in interest in new packaging methods is conditioned by an increasingly common problem related to utilization. Plastics such like polyethylene, polyvinyl chloride after their use are not easily degraded by chemical and microbiological, thus contribute to the retention of large amounts of waste in landfills. According to the chart below, the largest area of plastics application in Europe is the packaging sector, which accounts for almost 40% of total consumption [9, 27]. In recent years, the growing development of the fruit and vegetable industry has caused that producers began to be interested in the use of such packaging, which will not only serve as a protective role, but will ensure that their products will have the longest freshness and prevent adverse changes during storage and distribution. One of the main factors determining such a change is the changing share of individual distribution channels in the sale of fresh fruit and vegetables. Directions of changes are dictated here by increasing emphasis on food safety, convenience of the consumer and sales economics [13, 25, 14].
Wstęp
W dzisiejszych czasach rynek opakowań poszukuje nowych możliwości, które nie tylko będą spełniały funkcję ochrony danej żywności, ale również będą wpływały na wydłużenie czasu jej przechowywania. Dlatego też odnotowuje się ciągłe zainteresowanie opracowywaniem folii i powłok, w tym przede wszystkim jadalnych opakowań z biopolimerów odnawialnych. Możliwości zwiększenia wartości niewykorzystanych materiałów oraz rozwiązania problemów rolnych związanych z potencjalnie niekorzystnym wpływem opakowań syntetycznych na środowisko stanowią dwa główne czynniki, które napędzają przemysł spożywczy do wprowadzania m.in. aktywnych, w tym antymikrobiologicznych opakowań żywności [1].
W wyniku wprowadzonych zmian odnoszących się do wytwarzania opakowań z tworzyw sztucznych znacząco wzrosło zainteresowanie powłokami i foliami jadalnymi, zwłaszcza ze względu na liczne korzyści wynikające z zastosowania jadalnych opakowań takie jak spadek produkcji tworzyw sztucznych oraz zmniejszenie zużycia energii pochłanianej przez proces recyklingu, a także ilości paliwa zużywanego na wywóz śmieci. Do produkcji opakowań łatwo ulegających degradacji wykorzystuje się polimery biodegradowalne. Ze względu jednak na zbyt kosztowną produkcję oraz fakt, iż nie nadają się one do spożycia, dąży się do otrzymania biodegradowalnych opakowań wytworzonych z surowców naturalnych, co umożliwiłoby ich spożycie. Wytwarzane w taki sposób folie i powłoki dzieli się w zależności od materiału powłokotwórczego na: polisacharydowe, białkowe, lipidowe i złożone (w tym emulsyjne i warstwowe). Osoby sceptyczne podkreślają jednak potencjalny kłopot związany z zachowaniem higieny: wraz ze spożyciem opakowania do naszego organizmu mogą trafić liczne drobnoustroje pochodzące od ludzi biorących udział w łańcuchu dystrybucji, dlatego aby opakowania jadalne kiedykolwiek odniosły pełen sukces, należy przekonać społeczeństwo, że są one całkowicie bezpieczne i nie niosą ze sobą żadnego ryzyka [23, 11].
Powłoki jadalne można scharakteryzować jako cienkie warstwy materiału, których zadaniem jest stworzyć barierę wokół produktu lub oddzielić jego poszczególne warstwy w celu ograniczenia przemian biologicznych oraz fizykochemicznych. Często określenia „folie” i „powłoki” są używane zamiennie, niejednokrotnie jednak folie występują jako samodzielne, samonośne struktury, które po uprzednim uformowaniu w osobnym procesie, np. na szklanej lub akrylowej płytce, są zdejmowane i umieszczane na produktach lub między nimi, powłoki zaś są bezpośrednio nakładane przez natrysk bądź zanurzenie [7].
Zastosowanie powłok ochronnych do żywności nie jest nową technologią; pierwsze przemysłowe zastosowania sięgają XII w., kiedy w Chinach po raz pierwszy w celu zmniejszenia ubytków wody zastosowano wosk do owoców cytrusowych. Powłoki i folie jadalne pełnią funkcję aktywnego systemu pakowania żywności zarówno pochodzenia roślinnego, jak i zwierzęcego, występującej w formie nieprzetworzonej lub minimalnie przetworzonej. Technologia ta zapewnia ścisły kontakt pomiędzy zastosowanym opakowaniem, zapakowanym produktem a otoczeniem. Opakowanie naniesione na produkt jest jego integralną częścią. Z uwagi na funkcje, jakie powinny spełniać określone powłoki, stawia im się szereg wymogów, do których zaliczamy: rozpuszczalność w wodzie i tłuszczach, barierowość wobec wody, odpowiednią barwę i wygląd, nietoksyczność, właściwości mechaniczne i reologiczne oraz stabilność mikrobiologiczną [6, 24].
Warunkiem, który powinien zostać spełniony w celu otrzymania jadalnych folii bądź powłok, jest obecność co najmniej jednego związku zdolnego uformować matrycę, która będzie odznaczać się odpowiednią przyczepnością. Warunek ten spełniają liczne białka, lipidy i polisacharydy, które stanowią tzw. składniki bazowe [5].
Powłoki lipidowe
Tłuszcz był pierwszym surowcem do produkcji powłok jadalnych. Już w XII i XIII w. zaczęto powlekać owoce stosując do tego wosk, natomiast w średniowieczu w celu zapobiegania skurczowi mięsa i serów używano smalcu. Do lipidowych składników powłok należą: woski (pszczeli oraz roślinne kandelila i karnauba), parafiny, oleje roślinne, kwasy tłuszczowe. Lipidy stanowią najskuteczniejszą ochronę przed utratą wody z produktu, jednak problemami są brak wytrzymałości mechanicznej i oleisty posmak. Przepuszczalność pary wodnej zależy od rodzaju zastosowanego lipidu. Do najczęściej stosowanych lipidów w produkcji folii i powłok jadalnych należą woski i tłuszcze. Woski należą do grupy lipidów niepolarnych i nierozpuszczalnych w wodzie [18]. Ze względu na obecność długołańcuchowych alkoholi tłuszczowych i alkanów wykazują wysoką hydrofobowość, z czego wynika ich dobra rozpuszczalność w typowych rozpuszczalnikach organicznych. W przemyśle spożywczym woski stosowane są przede wszystkim do powlekania owoców i warzyw w celu zmniejszenia procesu oddychania oraz nadmiernej utraty wody i związków aromatycznych. Jako emulgatory stabilizujące folie wykorzystuje się monoglicerydy. Dodatek kwasów tłuszczowych takich jak np. palmitynowy czy stearynowy poprawia właściwości barierowe folii w stosunku do pary wodnej [20, 9, 15].
Powłoki polisacharydowe
Najczęściej wykorzystywanym materiałem powłokotwórczym z grupy węglowodanów stosowanym do powlekania żywności jest skrobia, która dzięki dużej dostępności i relatywnie niskiej cenie zajmuje jedną z głównych pozycji w wytwarzaniu biodegradowalnych opakowań do żywności. Griffin w latach 70. XX w. włączył ten polimer w strukturę polietylenu w stosunku 10:90 [12]. W tak powstałej folii skrobia stanowiła jedynie formę wypełniacza ułatwiającego fragmentację materiału. W latach 80. zapoczątkowane zostało łączenie syntetycznych polimerów z modyfikowaną skrobią w procesie ekstruzji. Tak wykonane materiały wykazywały zbliżoną wytrzymałość mechaniczną do jednoskładnikowych folii syntetycznych, lecz mniejszą rozciągliwość. Od lat 90. badania skupiły się na wyprodukowaniu materiału bazującego na czystym związku. Skrobia charakteryzuje się atrakcyjnymi właściwościami sensorycznymi, bardzo dobrymi właściwościami fizycznymi, optycznymi i reologicznymi. Biopolimery skrobiowe mogą być stosowane praktycznie bez żadnych ograniczeń, dlatego też są coraz częściej wykorzystywane w przemyśle spożywczym. Jedyną wadą w zastosowaniu skrobi jest wysoka przepuszczalność dla pary wodnej. Folia skrobiowa w przypadku zbyt wysokiej wilgoci względnej otoczenia może się fałdować lub wyginać. Powłoki skrobiowe stosowane są między innymi do kontroli wymiany gazów między surowcem, opakowaniem a otoczeniem. Dochodzi wówczas do modyfikacji składu gazowego atmosfery i tym samym zmniejszają się straty związane z ubytkiem wody, co skutkuje spowolnieniem procesu dojrzewania oraz wydłużenia trwałości przechowywanych surowców roślinnych [12, 19].
Ze względu na fakt, iż właściwości powłok stosowanych do żywności nie powinny być poddawane modyfikacji chemicznej, preferuje się znacznie bardziej złożone postępowanie takie jak np. zmiany właściwości skrobi. Powłoki wytwarzane z tego typu skrobi mogą mieć bardzo zróżnicowane właściwości użytkowe. W przemyśle spożywczym na szeroką skalę wykorzystuje się skrobię utlenioną, ponieważ zapewnia ona uzyskanie bardzo dobrych zdolności powłokotwórczych. Natomiast roztwór powłokotwórczy wykonany ze skrobi natywnej z tapioki wymaga intensywnej homogenizacji przed utworzeniem powłoki [3, 10].
Innymi źródłami polisacharydów stosowanymi w produkcji folii i powłok jadalnych są: pektyny, alginiany, chitozan i karagen otrzymywany z wodorostów morskich oraz pochodne celulozy takie jak hydroksypropyloceluloza, etyloceluloza i hydroksypropylometyloceluloza. Wykorzystywana jest również karboksymetyloceluloza otrzymywana w wyniku alkalicznej reakcji celulozy z kwasem monochlorooctowym lub jego solą sodową [26,17]. Chitozan stanowi pochodną chityny, otrzymywany jest w wyniku chemicznej deacetylacji chityny. Folie otrzymywane z wymienionych surowców charakteryzują się znacznie większą wytrzymałością mechaniczną w porównaniu do powłok białkowych. Wyjątek stanowią powłoki otrzymywane na bazie amylopektyny [21].
Dotychczas można wyróżnić wiele sposobów, za pomocą których możemy utworzyć folie i powłoki skrobiowe. Jedną z najpopularniejszych w przemyśle spożywczym metod jest suszenie. W procesie tym w wyniku fizykochemicznego oddziaływania międzycząsteczkowego tworzy się i stabilizuje ciągła struktura powłoki. Innymi metodami są: ekstruzja, powlekanie, wtryskiwanie, wydmuchiwanie i termiczne formowanie. W przypadku hydrolizatów skrobi – dekstryn zauważono, że wykazują one gorsze właściwości barierowe dla pary wodnej niż skrobia, lecz są lepszą barierą dla tlenu. Najczęściej stosuje się je do powlekania orzechów i migdałów w celu zachowania dobrych cech sensorycznych [24, 19].
Powłoki białkowe
Podczas wytwarzania powłok białkowych stosowane są zarówno białka zwierzęce takie jak kolagen, żelatyna, kazeina, białka mleka oraz serwatki, jak i białka pochodzenia roślinnego: gluten, białko kukurydzy i soi. Białka wykazują bardzo dobre właściwości powłokotwórcze oraz mechaniczne i strukturalne, lecz niską barierowość dla wilgoci. Z przeprowadzonych dotychczas badań wynika, że białka mają zdolność do tworzenia uporządkowanej struktury sieciowej podtrzymywanej wiązaniami wodorowymi, stąd ich wysoka barierowość wobec tlenu. Ze względu zaś na duże powinowactwo hydrofilowych białek do wody ułatwiające przemieszczanie się ich przez matrycę wykazują dużą przepuszczalność dla pary wodnej i wilgoci [7, 8].
Powłoki białkowe wykazują różnorodne właściwości w zależności od zastosowanego składnika do wytworzenia opakowania jadalnego. Poniżej przedstawiono charakterystykę wybranych rodzajów powłok:
– Folie i powłoki na bazie białek mleka (kazeina, serwatka) wyróżniają się dobrymi właściwościami mechanicznymi oraz dużą barierowością wobec tlenu, lipidów i związków lotnych, a także niską barierowością wobec wody. Barierowość względem wody możemy wyeliminować przez wprowadzenie do powłok substancji hydrofobowych takich jak oleje jadalne. Można wyróżnić dwie techniki występowania substancji tłuszczowej w powłoce: laminaty, gdzie tłuszcze występują jako oddzielna warstwa oraz emulsje, w których tłuszcz jest jednolicie rozprowadzony. Folie kazeinowe wytwarza się w procesie strącania kazein z odtłuszczonego mleka. Tak otrzymywany materiał zazwyczaj nie posiada smaku ani zapachu. Jest przeźroczysty lub półprzeźroczysty, co wynika z czystości białka i rodzaju frakcji. Podobnie jak większość powłok białkowych kazeinowe folie są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie. Powłoki serowarskie natomiast wytwarzane są z wodnych emulsji polioctanów z zastosowaniem dodatków funkcjonalnych takich jak barwniki lub substancje aktywne [22, 18].
– Powłoki kolagenowe charakteryzują się różnymi właściwościami w zależności od pochodzenia kolagenu, z którego dana powłoka została wyprodukowana. Różnice wynikają z istnienia wielu typów kolagenu różniących się między sobą masą i długością cząsteczek, składem i sekwencją aminokwasową oraz strukturą przestrzenną. Powłoki te wykorzystywane są głównie w przetwórstwie mięsnym. Podczas wędzenia nierozpuszczalne osłonki umieszczane są na wędzonych przetworach w celu ochrony przed wniknięciem elastycznej siatki w głąb produktu w trakcie prowadzenia obróbki termicznej. Po zakończeniu procesu siatka zostaje usunięta, natomiast osłonka kolagenowa nadaje się do spożycia. Powłoki te mogą być również wykorzystane w celu zapobiegania tzw. poceniu się mięsa oraz zachowania barwy i zapobiegania utlenianiu lipidów podczas pakowania plasterków wędlin na tacki [4].
– Folie i powłoki na bazie białek roślinnych są najczęściej wykorzystywanym materiałem do produkcji powłok ochronnych z uwagi na fakt, że nie są one drogie oraz posiadają wysoką wartość odżywczą. W przemyśle opakowaniowym dominującą substancją stosowaną do wytworzenia powłok ochronnych jest soja. Wykorzystanie mleczka sojowego w produkcji jadalnych opakowań nie jest jednak opłacalne. Obecnie doskonalona jest technologia otrzymywania powłok jadalnych z izolatów białek soi. Kolejną substancją jest zeina kukurydziana, która charakteryzuje się bardzo dobrymi właściwościami błonotwórczymi i barierowymi. Wadą wytworzonej z zeiny folii jest mała odporność na działania wody i pary wodnej, co powoduje konieczność dodatku lipidów zwiększających ich hydrofobowy charakter [2, 16, 20].
Podsumowanie
Stosowanie folii czy też powłok jadalnych wpływa nie tylko na przedłużenie trwałości produktów spożywczych, ale także na zwiększenie ich atrakcyjności przez nadanie im połysku. Obecnie dąży się do zaprojektowania takich powłok jadalnych, które będą się charakteryzować odpowiednimi właściwościami mechanicznymi oraz skłonnością do przenikania określonych ilości pary wodnej i innych substancji, co skutecznie pozwoli przewidzieć zarówno warunki przechowywania, jak i termin przydatności do spożycia powleczonych artykułów żywnościowych.
Literatura:
[1] Appendini P., Hotchkiss J.H. 2002. „Review of antimicrobial food packaging”. Innovative Food Science & Emerging Technologies 3(2): 113-126
[2] Basiak E., Galus S., Lenart A. 2012. „Filmy i powłoki skrobiowe do żywności.” Technika, Technologia 66: 28-30
[3] Basiak E., Lenart A. 2013. „Powłoki skrobiowe stosowane w opakowalnictwie żywności.” Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 1 (86): 21-31
[4] Bodnar I., Alting A.C., Verschueren M. 2007. „Structural effects on the permeability on whey protein films in a aqueous environment.” Food Hydrocolloids 21: 889-895
[5] Cutter C.N. 2006. „Opportunities for bio-based packaging technologies to improve the quality and safety of fresh and further processed muscle foods”. Meat Science 74(1): 131-142
[6] Dewettinck K., Huyghebaert A. 1999. „Fluidized bed coating in food technology.” Trends in Food Science and Technology 10: 163-168
[7] Galus S. 2012. „Powłoki jadalne do minimalnie przetworzonych owoców i warzyw.” Przemysł Fermentacyjny i Owocowo-Warzywny 4: 28-30
[8] Galus S., Śliwiński M. 2014. „Filmy i powłoki ochronne do serów.” Innowacyjne Mleczarstwo 2 (1): 13-17
[9] Gniewosz M., Synowiec A., Dyrda M. 2009. „Zastosowania opakowań jadalnych o aktywności przeciwdrobnoustrojowej w utrwalaniu żywności”. Biotechnologia 4 (87): 40-53
[10] Gottfried K. i in. 2010. „Biodegradowalne i jadalne opakowania do żywności z polimerów naturalnych”. Opakowanie 8: 26-35
[11] Hejduk A., Cąderek T., Grabowska B. 2008. „Internetowy system zapewnienia nowoczesnych opakowań w branży ogrodniczej.”Opakowanie 9: 44-46
[12] Hershko V., Nussinovitch A. 1998. „The behavior of hydrocolloid coatings on vegetative materials”. Biotechnology Progress 14: 756-65
[13] Jakowski S. 2006. „Pakowanie owoców i warzyw sprzedawanych na ogrodniczych rynkach hurtowych.” Opakowanie 9: 16-18
[14] Jakubczyk E. 2007. „Nanotechnologia w technologii żywności”. Przemysł Spożywczy 4: 16-22
[15] Kadzińska J., Galus S. 2014. „Lipidy w powlekaniu żywności.” Przemysł Spożywczy 4 (68): 14-16
[16] Kokoszka S., Lenart A. 2007. „Wybrane właściwości fizyczne powłok jadalnych serwatkowych.” Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 5 (54): 319-326
[17] Nisperos-Carriedo M.O. 1994. “Edible films and coatings based on polysaccharides”. In: Edible Coatings and Films to Improve Food Quality, ed. Krochta J.M., Baldwin E.A., Nisperos-Carriedo M.O. Lancaster PA: Technomic Publishing Company Inc., 1994, 305-330
[18] Nzikou J.M. i in. 2007. „Solanum nigrum L. Seeds as an Alternative Source of Edible Lipids and Nutriment in Congo Brazzaville”.Journal of Applied Sciences 7 (8): 1107-1115
[19] Pająk P., Fortuna T., Przetyczek-Różnowska I. 2013. „Opakowania jadalne na bazie białek i polisacharydów - charakterystyka i zastosowanie.” Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 2 (87): 5-18
[20] Sebti I., Ham-Pichavant F., Coma V. 2002. “Edible bioactive fatty acid-cellulosic derivative composites used in food-packaging applications.” Journal of Agricultural and Food Chemistry 50: 4290-4
[21] Skurtys O. i in. 2010. „Food hydrocolloid edible films and coatings.” New York, Nova Science Publishers, Inc.
[22] Sobral P.J.A i in., 2001. „Mechanical, water vapour barrier and thermal properties of gelatin based edible films.” Food Hydrocolloids 15:423-432
[23] Sonneveld K. 2000. „What drives (food) packaging innovation?” Packaging Technology Food Science 13 (1): 29-35
[24] Sztuka K., Kołodziejska I. 2008. „Jadalne folie oraz powłoki powierzchniowe z polimerów naturalnych stosowane do opakowań żywności.” Polimery 53 (10): 735-729
[25] Ucherek M. 2004. „Opakowalnictwo owoców i warzyw.” Przemysł Fermentacyjny i Owocowo-Warzywny 3: 21-23
[26] Ulbin-Figlewicz N., Zimoch A., Jarmoluk A. 2013. „Plant extracts as components of edible antimicrobial protective coatings.” Czech Journal of Food Science 31: 596-600
[27] Zhang DL., Quantick PC. 1997. “Effects of chitosan coating on enzymatic browning and decay during postharvest storage of litchi fruit.” Postharvest Biology and Technology 12: 195-202
Klaudia Kałwa
Alfa-Print Sp. z o.o.
ul. Świętokrzyska 14A
00-050 Warszawa
